Re: [請益] Uclink? kernel ? Ubuntu?

[snaketsai (林納斯依絲顧德)]

回憶一下大三教的、跟自己學的東西好了：

以比較經典的 GNU/Linux 為基準來看，系統架構大概長這樣- -
（核心架構有分，這邊是用宏核心的觀點）

┌----------------------------------------------------------------------------
|
|↑   應用程式、較使用導向的lib，e.g. ncurse、Xlib ......
|-----------------------------------------------------------------------------
|↓   C Runtime Lib:                   | C  POSIX Lib  | And so forth...
|        *NIX世界常見的有：            |    thread     |
|                 glibc/eglibc         |    file cntl  |
|                 uclibc (for uclinux) |    ......     |
|                 bionic (for android) +---------------+----------------------
|                 musl                 |
|                 newlib               |
|                 ......               |
|    提供你常見的一些utility function, |
|    如printf()、fopen()、,malloc()... |
|
|
|
|↑   User-space Level
|=====================系統呼叫================================================
|↓   Kernel-spce Level
|
|       Filesystem
|       Inter-Process Communication （行程間通訊）
|       Network
|       ......etc
|
|-----------------------------------------------------------------------------
|        Memory Management
|        Scheduler （排程器）
|        Interup Handler （硬體中斷處理）
|        Device Driver
|
└--------------------以下是硬體----------------------------------------------



**************************************************************************

再說明一下，我們說的Linux，其實嚴格起來說是指Linux 〝Kernel〞；
Ubuntu我們稱作Distro. (Distribution，發行版)。

就如上面所示，Kerenl管的是系統最基本的事情，
像是對檔案系統(i.e. ext3/4，詳細來說來說是隔著VFS)讀寫、
幫你作到同時多工（行程排程）、
幫你掌控滑鼠鍵盤送來的訊號（IRQ handling）......

要怎麼畫出漂亮的使用者登錄畫面、怎麼做登錄管理、
怎麼管理背景服務(daemon)、怎麼顯示出你的視窗......
這些東西都是在Kernel之上的，每個功能也有著非常多不同的實做。

如登錄管理有：LightDM、LXDM、xdm ...... etc
背景服務管理，有：Upstart、Systemctl、OpenRC ...... etc
桌面環境，粗略可以概括為：Gnome、KDE、Unity、LXDE ...... etc
(牽扯到X-Window細節的先跳過)

將這些東西配套起來，其實是非常耗費功夫的(玩過Linux From Scratch就知道這超級累)，
所以就有像是Red Hat、Canonical、Debian Project......等等的團體站出來，
以他們心中的量尺選擇要用哪些程式、加上合適的設定檔、
調整kernel的編譯參數（如排程策略、要包含哪些kernel module），
最後將這一整包打點好的東西發布出來，
便是大家常說的「Linux作業系統」，如Fedora、Ubuntu、Debian。

然而，你提到的ucLinux，定義上來說，也可算是一種「發行版」，只是這個發行版很特別。

上面有提到，有一種東西叫做C Runtim Library，
而ucLinux使用的就不是於一般系統所用的glibc，而是他們特製的uclibc。

在嵌入式平台，資源是十分苛刻有限的，其中尤其對記憶體操控格外的艱困。
很多平台，沒有MMU(記憶體管理單元)，這幾乎閹割了所有一般PC系統常見的記憶體分配機制；
詳細狀況，你以去翻一下恐龍書或者《程式設計師的自我修養》中有關於虛擬記憶體的章節。

這邊只快速提一下：
在現代作業系統裡，行程（process）都認為自己有頂天的記憶體大小（e.g. i686下有2^32 bits的虛擬空間），
這麼大的空間依照分頁(page)大小（最基礎4kB），被切為數份，將有用到的片段映射到實際的記憶體上面；
而系統會維護一個page table，紀錄哪些page有被映射、哪些沒有。（CPU上面的TLB是這個的snapshot）

當CPU要求要跑的code不存在實體記憶體時，會促使MMU發出分頁錯誤（page fault）的信號，
再交給對應的部份(如OS的page fault handler)來決定要怎麼辦。

但是......阿便宜的嵌入式平台就沒有MMU啊~
所以這部份就只能交給CPU、跟軟體層來虛擬了，
但也因為這樣先天的限制，有很多事情是作不到的。
如ucLinux缺了一票相關的system call，像brk()、fork() ......


說到最後，你想要學嵌入式的Linux開發，
我個人會建議你先去把歐萊禮的《建構嵌入式Linux系統》翻一遍
看到不懂的概念，可以去翻恐龍書(Operating System Concepts)、
《Understanding Linux The Linux Kernel》

或許巨O、聯O號稱可以幾堂課上完啦......
但我覺得這麼多基礎要壓縮在那麼短的時間內上完，應該很困難。


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rootfs那邊其實還有很東西可以說的......
Linux的開機流程其實一直在微調，從早年的initrd進化到initramfs，後來還有再改良
基本上Linux 2.6後引入initramfs後是個分水嶺。

不過大觀念來說依舊是：Kernel在完成他該完成的事情後，會把使用權交還給userspace。
他要做的事情大抵可以參考這篇：http://goo.gl/0tpauK

然而，在現今複雜的系統中，這段期間要做的事情需要C lib的協助(e.g. klibc)，
譬如說今天你的系統放在LVM底下、或是usbdisk裡面、亦或有加密過、在SCSI硬碟......etc
這些東西都不是kernel直接應付得來的，
所以會需要一個能放在ramdisk上、堪用的執行環境，那就是initramfs。

(Kernel自己的實做上不能仰仗glibc一類的C lib，因為他就是最基礎的基石，
就一如dynamic loader不能依賴其他share lib是一樣的道理。)

當kernel幫忙把屁股擦完後，會把initramfs drop掉，
掛上真正硬碟上的filesystem，再執行init system(i.e. upstart、systemctl、sysvinit
...... )，

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